CN114658564B - 一种宽范围推力调节电控固体推力器 - Google Patents

Abstract

一种宽范围推力调节电控固体推力器，属于特种固体推进剂火箭发动机领域，本发明为解决现有固体推力器的装药比小导致推力调节范围受限的问题。本发明方案：方形外壳的开口端与喷管的大口固定连接，方形外壳内腔中按正负电极片相间排布方式设置多个片状电极，并在方形外壳内腔中填充电控固体推进剂；方形外壳腔内设置的电极固定器具有多条矩形凹槽用于卡装片状电极，且电极固定器还具有多个向后凸起的绝缘柱形孔，每个片状电极的圆柱引线均从绝缘柱形孔伸出，每相邻两个片状电极与电极固定器及方形外壳内壁设置的绝热绝缘套共同围合成一端开口空间作为一个燃烧单元，每个燃烧单元由控制单元独立控制其开关状态。

Description

一种宽范围推力调节电控固体推力器

技术领域

本发明涉及一种采用电控固体推进剂的推力可调、可多次启动火箭发动机，属于特种固体推进剂火箭发动机领域。

背景技术

电控固体推器综合了固体推力器和液体推力器的优点，具有推力器结构简单、性能可靠、启停可控、推力可调的特点。

现在提出的电控固体推力器原理机均是通过调节电压控制推进剂的燃速，进而实现推力调节。而对于某一航天器而言，其装药比小，使得电压变化范围具有一定的限度，进而导致推力器推力调节范围受限。并且电控固体推进剂有其自身的最小点火电压，在这种状态下，推力器产生的推力远超所需推力。

因此，针对以上不足，需要提供一种能够重复点火且推力调节范围宽的推进技术，使其尤其适用于推力可调、可多次启动火箭发动机。

发明内容

针对现有固体推力器的装药比小导致推力调节范围受限的问题，本发明提供一种宽范围推力调节电控固体推力器。

本发明所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，包括方形外壳2、后端盖9、燃烧室14、喷管15、电极固定器4、片状电极11、圆柱引线10、电控固体推进剂13和控制单元；

方形外壳2的开口端与喷管15的大口固定连接，喷管15的大口端内腔与方形外壳内腔共同形成燃烧室14，方形外壳2的后板外部扣接有后端盖9，后端盖9内设置有控制单元；方形外壳2内腔中按正负电极片相间排布方式设置多个片状电极11，并在方形外壳2内腔中填充电控固体推进剂13；每个片状电极11设置一根圆柱引线10；

方形外壳2的后板设置有多个固定通孔18，方形外壳2腔内设置有板状的电极固定器4，电极固定器4压在方形外壳2的后板上，所述电极固定器4具有多条矩形凹槽用于卡装片状电极11，且电极固定器4还具有多个向后凸起的绝缘柱形孔17，每个片状电极11的圆柱引线10均从绝缘柱形孔17伸出，每相邻两个片状电极11与电极固定器4及方形外壳2内壁设置的绝热绝缘套3共同围合成一端开口空间作为一个燃烧单元，每个燃烧单元由控制单元独立控制其开关状态。

优选地，控制单元包括控制板16、控制器6、导线8和接线柱7，所述控制板16设置在方形外壳2的后板外壁上，控制板16具有多个接线孔，多个圆柱引线10从方形外壳2的后板伸出后插入控制板16上对应的接线孔中，并通过导线8接至控制器6中，所述控制器6包括正极控制器6-1和负极控制器6-2，所有正极的片状电极11电连接至正极控制器6-1，所有负极的片状电极11电连接至负极控制器6-2；接线柱7包括正极接线柱7-1和负极接线柱7-2，正极控制器6-1通过正极接线柱7-1、负极控制器6-2通过负极接线柱7-2实现与外部电源的连接。

优选地，片状电极11为直薄片电极。

优选地，片状电极11中的正极片外部涂覆绝缘涂层12。

优选地，片状电极11设置圆柱引线10的位置为不居中的偏位，且相邻两个片状电极11设置圆柱引线10位置交错。

优选地，电极固定器4为绝缘板状结构，且板的四周与方形外壳2内壁设置的绝热绝缘套3连接。

优选地，绝热绝缘套3采用石棉材料。

优选地，电极固定器4采用聚酰亚胺材料。

优选地，方形外壳2与喷管15之间设置有密封垫片1。

优选地，方形外壳2的前面设置有螺栓孔19，用于与喷管15固定连接；方形外壳2的后板上设置有螺栓孔19，后端盖9设置有螺栓5，二者配合用于将后端盖9与方形外壳2的固定连接。

本发明的有益效果：

(1)、本发明可以通过改变电压并配合控制器改变推进剂的燃烧状态，进而实现推力器的可控启停以及推力调节。

(2)、改变了以往电控固体推力器的电极结构，简化了原有推力器的设计，大幅度增加推力器的装药量，使得装药比大幅提高，进而电压变化范围变大，通过利用控制器控制各单元内推进剂的燃烧状态，使得推力器具有更宽的推力调节范围。

附图说明

图1是本发明所述一种电控固体推力器的平面结构示意图；

图2是电极片的结构示意图；

图3是图1中局部放大图；

图4是电极片和电极固定器装配结构示意图；

图5是控制板安装控制器器及导线布局结构示意图；

图6是电极、导线、控制器安装于壳体的原理图；

图7是方形外壳内部安装电极固定器的原理图；

图中：1-密封垫片、2-方形壳体、3-绝热绝缘套、4-电极固定器、5-螺栓、6-控制器、7-接线柱、8-导线、9-后盖板、10-圆柱引线、11-电极片、12-绝缘涂层、13-电控固体推进剂、14-燃烧室、15-喷管、16-控制板、17-绝缘柱形孔、18-固定通孔、19-螺栓孔；

6-1、正极控制器；6-2、负极控制器。

7-1、正极接线柱；7-2、负极接线柱。

8a、8b、8c、8d、8e、8f为负极导线；8g、8h、8i、8j、8k为正极导线。

11a、11b、11c、11d、11e、11f为负极片；11g、11h、11i、11j、11k为正极片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的电控固体推力器改变了原有电控固体推力器的电极结构，并且在原有电压控制推进剂燃烧状态的基础上，增加了控制器。使得推进剂具有更多的燃烧状态。控制器会根据实际需求控制某一组或多组电路的通断以及输入电压的大小，实现控制一个或多个单元的推进剂燃烧以及推进剂的燃速，进而实现推力调节。相比于传统的电控固体推力器，本发明提出的电控推力器具有更大的调节范围，可以满足更多的应用的场景。独特的直板薄片电极组，可以使得推进剂实现更稳定的燃烧，提高推力器的推力调节精度。同时，这种电极设计还可以增加推力器的装药比。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，包括方形外壳2、后端盖9、燃烧室14、喷管15、电极固定器4、片状电极11、圆柱引线10、电控固体推进剂13和控制单元；

方形外壳2的开口端与喷管15的大口固定连接，喷管15的大口端内腔与方形外壳内腔共同形成燃烧室14，方形外壳2的后板外部扣接有后端盖9，后端盖9内设置有控制单元；方形外壳2内腔中按正负电极片相间排布方式设置多个片状电极11，并在方形外壳2内腔中填充电控固体推进剂13；每个片状电极11设置一根圆柱引线10；

方形外壳2的后板设置有多个固定通孔18，方形外壳2腔内设置有板状的电极固定器4，电极固定器4压在方形外壳2的后板上，所述电极固定器4具有多条矩形凹槽用于卡装片状电极11，且电极固定器4还具有多个向后凸起的绝缘柱形孔17，每个片状电极11的圆柱引线10均从绝缘柱形孔17伸出，每相邻两个片状电极11与电极固定器4及方形外壳2内壁设置的绝热绝缘套3共同围合成一端开口空间作为一个燃烧单元，每个燃烧单元由控制单元独立控制其开关状态。本发明中每相邻的两个正负电极片可组成一个控制回路，形成一个小的燃烧单元。控制器会根据使用需求控制每个回路的通断，进而控制每个单元内电控固体推进剂的燃烧。通过控制器控制输入电压实现推力器可控启停、调节推力。在此基础上，控制器可以控制一个或多个单元的推进剂燃烧，可以大大增加推力器推力的调节范围。

控制单元包括控制板16、控制器6、导线8和接线柱7，所述控制板16设置在方形外壳2的后板外壁上，控制板16具有多个接线孔，多个圆柱引线10从方形外壳2的后板伸出后插入控制板16上对应的接线孔中，并通过导线8接至控制器6中，所述控制器6包括正极控制器6-1和负极控制器6-2，所有正极的片状电极11电连接至正极控制器6-1，所有负极的片状电极11电连接至负极控制器6-2；接线柱7包括正极接线柱7-1和负极接线柱7-2，正极控制器6-1通过正极接线柱7-1、负极控制器6-2通过负极接线柱7-2实现与外部电源的连接。每个片状电极11上均设有圆柱引线10，均穿过电极固定器4的绝缘柱形孔17，与控制器6的导线8相连，每相邻的两个片状电极11构成一个小单元电路。控制器上均有正负接线柱与电源的正负极相连，以此形成闭合回路。控制器6可以控制每个小单元电路的通断，进而控制每个单元内电控固体推进剂13的燃烧状态。

片状电极11为直薄片电极，平板薄片状电极。具有极小的厚度，有利于增加推力器的装药量，提高装药比。电控固体推进剂药浆浇铸在多组片状电极11之间，推进剂能够与片状电极11紧密接触。参见图4给出一个实施例为：设有负极片11a、11b、11c、11d、11e、11f和正极片11g、11h、11i、11j、11k，共11个电极片。正负电极片相间排布，卡装在电极固定器4上。其中正极片11g、11h、11i、11j、11k在装配前喷涂绝缘涂层，正极片11g、11h、11i、11j、11k的表面要进行磨砂处理，使绝缘涂层12更好的附着在电极表面。每相邻的两个片状电极11之间的间距均相等，并且小于5mm。目的是使每个单元内的电控固体推进剂13可以更准确的被控制，并且使推进剂展现更好的燃烧性能。作为实施例，片状电极11的长为100mm，宽为40mm，厚度为0.4mm，电极间距为3mm。

片状电极11中的正极片外部涂覆绝缘涂层12。在每个正极片上均喷涂绝缘层，以使推进剂沿电极片纵向燃烧。

片状电极11设置圆柱引线10的位置为不居中的偏位，且相邻两个片状电极11设置圆柱引线10位置交错。

电极固定器4为绝缘板状结构，且板的四周与方形外壳2内壁设置的绝热绝缘套3连接。所述的绝热绝缘套3和电极固定器4具有相同尺寸的截面，绝热绝缘套3既能隔绝推进剂燃烧产生的高温，又能对方形壳体2与片状电极11进行绝缘。

绝热绝缘套3采用石棉材料。

电极固定器4采用聚酰亚胺材料。电极固定器4为绝缘部件，安置于方形壳体2内腔，用于固定片状电极11并对圆柱引线10和方形壳体2进行绝缘。电极固定器4的一侧设有截面长方形的电极安装凹槽，另一侧设有凸起绝缘柱形孔17，片状电极11上的圆柱引线10穿过该通孔，并固定于电极固定器4的凹槽内。

方形外壳2与喷管15之间设置有密封垫片1。

方形外壳2的前面设置有螺栓孔19，用于与喷管15固定连接；方形外壳2的后板上设置有螺栓孔19，后端盖9设置有螺栓5，二者配合用于将后端盖9与方形外壳2的固定连接。

装配过程为：将绝缘涂层喷涂在正极片11g、11h、11i、11j、11k的表面，并将其放置在马弗炉固化。将处理之后的电极片按11a、11g、11b、11h、11c、11i、11d、11j、11e、11k、11f的顺序固定在电极固定器4的凹槽内，并将片状电极片11的圆柱引线10穿过电极固定器4上相对应的绝缘柱形孔17。将绝热绝缘套3和电极固定器4对齐，将片状电极11组缓慢推入绝热绝缘套3内。将装配体从方形壳体2的开口端缓慢推入，推入前，将电极固定器4上突起的通孔对准方形壳体2上相应的孔位。

将未固化的电控固体推进剂药浆从方形壳体2开口端浇注至燃烧室14，并将其放置在35℃的环境中固化7天。

将喷管15大孔端的四个通孔对准方形壳体2开口端的四个螺纹孔，并在两者之间安装密封垫1，将燃烧室14进行密封。

将正极导线8g、8h、8i、8j、8k依次安装在对应的固定孔内，并于正极控制器6-1相连，在正极控制器6-1上安装正极接线柱7-1。

将负极导线8a、8b、8c、8d、8e、8f依次安装在对应的固定孔内，并于负极控制器6-2相连，在负极控制器上安装负极接线柱7-2。

将导线8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h、8i、8j、8k与电极片11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g、11h、11i、11j、11k对接，并将控制器6安装在壳体2上。

最后，用螺栓5将后盖板9固定在方形壳体2上。

主要的工作过程为：本发明中的电极片通过相应的导线与控制器相连接，控制器再经过接线柱与电源的正负极相接。推力器具有多种工作模式：

模式一：控制器接通所有线路，通过控制输入的电压值，控制推进剂的燃烧状态。进而控制推力器的工作状态。

模式二：控制器确定输入的电压值，通过改变接通电路的数量控制不同数量单元内的推进剂燃烧，进而控制推力器的工作状态。

模式三：控制器根据推力需求，不断改变输入电压值，以及改变燃烧单元的数量，进而控制推力器的工作状态。该模式下，推力器可以提供最大的推力调节范围，满足更多的场景使用需求。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (9)

1.一种宽范围推力调节电控固体推力器，其特征在于，包括方形外壳(2)、后端盖(9)、燃烧室(14)、喷管(15)、电极固定器(4)、片状电极(11)、圆柱引线(10)、电控固体推进剂(13)和控制单元；

方形外壳(2)的开口端与喷管(15)的大口固定连接，喷管(15)的大口端内腔与方形外壳内腔共同形成燃烧室(14)，方形外壳(2)的后板外部扣接有后端盖(9)，后端盖(9)内设置有控制单元；方形外壳(2)内腔中按正负电极片相间排布方式设置多个片状电极(11)，并在方形外壳(2)内腔中填充电控固体推进剂(13)；每个片状电极(11)设置一根圆柱引线(10)；

方形外壳(2)的后板设置有多个固定通孔(18)，方形外壳(2)腔内设置有板状的电极固定器(4)，电极固定器(4)压在方形外壳(2)的后板上，所述电极固定器(4)具有多条矩形凹槽用于卡装片状电极(11)，且电极固定器(4)还具有多个向后凸起的绝缘柱形孔(17)，每个片状电极(11)的圆柱引线(10)均从绝缘柱形孔(17)伸出，每相邻两个片状电极(11)与电极固定器(4)及方形外壳(2)内壁设置的绝热绝缘套(3)共同围合成一端开口空间作为一个燃烧单元，每个燃烧单元由控制单元独立控制其开关状态；

控制单元包括控制板(16)、控制器(6)、导线(8)和接线柱(7)，所述控制板(16)设置在方形外壳(2)的后板外壁上，控制板(16)具有多个接线孔，多个圆柱引线(10)从方形外壳(2)的后板伸出后插入控制板(16)上对应的接线孔中，并通过导线(8)接至控制器(6)中，所述控制器(6)包括正极控制器(6-1)和负极控制器(6-2)，所有正极的片状电极(11)电连接至正极控制器(6-1)，所有负极的片状电极(11)电连接至负极控制器(6-2)；接线柱(7)包括正极接线柱(7-1)和负极接线柱(7-2)，正极控制器(6-1)通过正极接线柱(7-1)、负极控制器(6-2)通过负极接线柱(7-2)实现与外部电源的连接。

2.根据权利要求1所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，其特征在于，片状电极(11)为直薄片电极。

3.根据权利要求2所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，其特征在于，片状电极(11)中的正极片外部涂覆绝缘涂层(12)。

4.根据权利要求1、2或3所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，其特征在于，片状电极(11)设置圆柱引线(10)的位置为不居中的偏位，且相邻两个片状电极(11)设置圆柱引线(10)位置交错。

5.根据权利要求1所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，其特征在于，电极固定器(4)为绝缘板状结构，且板的四周与方形外壳(2)内壁设置的绝热绝缘套(3)连接。

6.根据权利要求1所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，其特征在于，绝热绝缘套(3)采用石棉材料。

7.根据权利要求1或5所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，其特征在于，电极固定器(4)采用聚酰亚胺材料。

8.根据权利要求1所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，其特征在于，方形外壳(2)与喷管(15)之间设置有密封垫片(1)。

9.根据权利要求1所述一种宽范围推力调节电控固体推力器，其特征在于，方形外壳(2)的前面设置有螺栓孔(19)，用于与喷管(15)固定连接；方形外壳(2)的后板上设置有螺栓孔(19)，后端盖(9)设置有螺栓(5)，二者配合用于将后端盖(9)与方形外壳(2)的固定连接。

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